发动机的废气涡轮增压

发动机的废气涡轮增压 为提高平均有效压力以增加气缸内封存气体密度的方 法。（广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到高于周围 环境密度的一切方法，都称为增压。） 通过增加充气量，以提高功率，改善经济性和排放性 PVni,,, ,3ehN,，10e，， 30,,? 改变结构参数。增加i、Vh(D、S)，减少τ，但 体积和重量增加 ? 提高转速。但充气效率和机械效率减少，机件寿 命减少，噪音大 ? 提高平均有效压力Pe。 减少过量系数 提高充气效率 增加充气密度（增压） 发动机在增压后增长的功率与增压前功率 之比 φk为范围10%~60%。大部分为20%~30%。 进入气缸的气体压力Pk与大气压力P0之比 , 低增压： ,k ＝ 1.3~1.6 （内燃机平均有效压力pe＝0.7～1.0MPa） , 中增压： ,k ＝ 1.6~2.5 （内燃机平均有效压力pe＝1.0～1.5MPa） , 高增压： ,k ＞2.5 （pe ＞ 1.5MPa）； 55 , 超高增压： ,k ＞ 3.5 （pe>2.0MPa）。 改善了发动机性能： 提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率； 改善了燃烧过程。 增加了发动机的比功率； 扩大了内燃机高原适应性： 有利于降低有害气体排放和噪声。 (HC降低，高负荷的NOx降低，空气充足使碳烟有所降低； 温度高使着火延迟期缩短） 增加了柴油机的机械负荷； 增加了柴油机的热负荷。 机械增压； 废气涡轮增压； 气波增压； 复合增压 谐波增压（汽油机） 机械增压图 , 由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气机。 , 机械增压增压压力高，压气机消耗的功率大。为使内 燃机机械效率不要过分下降，增压压力Pk不能过高。 Pk <160~170KPa , 提高发动机低速扭矩 机械增压所用的压气机除离心式压气机外，在车用内燃机 56 上常用容积式压气机： , 废气涡轮增压利用内燃机排气中能量来实现增压，比废气涡轮增 机械增压经济性好，比非增压自然吸气式内燃机燃油压图 好率可低5%～10%。 , 质量功率和体积功率比非自然吸气内燃机明显改善， 因而在内燃机上得到广泛应用。 , 废气涡轮增压器主要由压气机和废气涡轮组成。 , 压气机主要是离心式的。 , 废气涡轮分： 轴流式； 径流式； 斜流式（混流式）。 , 由于内燃机排气能量利用的不同，有两种经典的、基 本的增压形式： 脉冲涡轮增压； 等压涡轮增压。 , 气波增压是通过气波增压器利用气体质点和压力波的气波增压图 反射特性，使排气和进气之间进行直接的能量交换， 以增大进气密度。 , 气波增压对内燃机工况反映迅速，使气波增压的加速 性好，且低速时空气的压缩程度高，低速扭矩好。工 作温度低，不需要耐高温材料。但体积大，噪声大， 安装位置受到一定限值。匹配要求高，防止窜烟 复合增压图 , 机械增压与废气涡轮增压组合。 , 谐波增压与废气涡轮增压组合。 — 谐波增压图 , 多缸发动机上使用两台增压器。 57 , 在低速时，使用一台增压器以提高废气能量利用效率，双增压器顺 改善低速反映性能。 序增压图 , 在中高速时，使用两台增压器以保证发动机功率输出。 , 可变进气道增压器； , 可变喷嘴环增压器； , 可变涡轮喉口截面增压器； , 可变叶片增压器； , 废气放气增压器； , 进气回流增压器； , 射流涡轮增压器； , 斜流涡轮增压器； 低速时使用一个进气通道；高速时，进气量大，使用两个可变进气道 通道，可以改善增压发动机的过渡性能。 增压器图 各喷嘴环1通过轴销2固定在涡壳5上，再经传动杆3与喷可变喷嘴环嘴控制盘4相连。转动喷嘴控制盘即可改变喷嘴环的角度。 增压器图 通过调整涡壳5与涡轮叶轮6之间的喷嘴环角度来调整涡轮 流通截面。 低速时，喷嘴角度小，流通截面小；高速时喷嘴角度大， 流通截面能保证涡轮从废气中获取足够能量达到压气机 的需求。 可变涡轮喉口截面增压器是再废气量不变的情况下改变可变涡轮喉 进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大口截面增压 小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶器图 片上的冲击力增加（此时涡轮效率将有所降低），空气增 压压力增加，从而满足内燃机在低速小负荷时的需要。内 燃机在高速大负荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这 时喉口截面处于最大位置，排气背压最小，涡轮效率最大。 58 可变喉口截面控制板可以由电磁阀进行无级调整 可变叶片增, 可变喷嘴环技术类似，通过压气机结构（叶片角度）压器图 的变化，来调整增压压力与发动机转速负荷的匹配关 系。 , 多个可变叶片，效率高，但结构复杂，成本高、体积 大。 , 车用增压内燃机为获得低速大扭矩和良好的加速性 能，涡轮增压器一般按内燃机低速、小流量。 , 轿车用增压器设计转速为内燃机标定转速的40%左右。 , 公共汽车、重型车用的增压器设计转速为内燃机标定 转速的60%左右。 , 高速时，将会使增压压力过高，增压器超速，柴油机 爆发压力过大，汽油机容易引起爆震。 , 为此，设计增压器常增加废气放气阀，在高速时将一 部分废气旁通掉，加以控制增压压力。 废气门3与增压器2的涡轮并联地连接在内燃机1的排气废气放气增管上。废气门的阀门固定在膜片上，膜片上部通大气，并压器图 受弹簧的作用，下部与压气机出口的增压空气相通。平时， 弹簧将废气门的阀门压在阀座上，内燃机排气管来的废气 不能经阀门旁通到涡轮出口的排气管内。 一旦增压压力对膜片的作用超过弹簧的预紧力，废气门打 开，一部分废气不经涡轮直接从涡轮出口排入大气中。涡 轮作功减小，空气的增压压力回落，以实现空气增压压力 的自动调节。 , 为避免由于负荷突变及环境变化而使压气机出现喘振 而损坏增压器，在增压器的压气机进口装上整体式的进气回流增 回流阀。 压器图 , 当进气管压力低于某一值时，作用在回流阀上的进气 管压力、弹簧压力和压气机出口的空气增压压力不平 59 衡，回流阀顶开，压气机出口的空气通过回流阀和回 流通道进入压气机进口，以增加通过压气机的空气量。 , 增压空气温度增加，在柴油机中引起增压条件下进气 密度减小，即在保持不变过量空气系数,下，意味着 功率下降，不然需要进一步提高增压压力，但柴油机 机械负荷又要增加。虽然气缸内工质温度提高有利于 柴油机的燃烧，但却使燃烧室内受热零件的热负荷增 加，排温过高，NOx增加。汽油机中增压温度升高，除 与柴油机一样功率下降外，最主要的是爆震倾向增加。 , 一般，当增压空气的压力超过0.15MPa时，就值得采 用中冷。 , 解决空气温度过高的办法就是采用中冷器冷却增压后 的空气。 , 增压空气温度每降低20K，涡轮前的废气温度约可降低 20K，燃油消耗率可减少3g/kW.h。 中冷器中冷却介质采用内燃机冷却系统 中的循环水。该结构与布置简单，但不能将增压空气 温度冷却较低。 中冷器采用独立的冷却介质。该方案 可提高中冷器的冷却效率，能较低地降低空气地温度。结 构要复杂些，布置上会增加难度。 中冷器装在内燃机冷却系水散 热器前或后，依靠风扇和车辆行驶时地空气气流冷却增压 空气。该方案由于它的 最少能量消耗而得到广泛应用。 中冷器带有独立地冷却风扇， 它可由直流电动机或空气涡轮带动。 60